Orbitale atomowe
Orbital atomowy jest stanem kwantowym elektronu w atomie, a nie małą orbitą planety. Matematyczna funkcja falowa ψ może zmieniać znak, natomiast |ψ|² opisuje gęstość prawdopodobieństwa i pozwala przewidywać, gdzie znajduje się gęstość elektronowa oraz jak uczestniczy w wiązaniu.
Węzły orbitalu
Od funkcji falowej do prawdopodobieństwa
Znak ψ oznacza fazę, nie dodatni lub ujemny ładunek. Powierzchnie rysowane wokół orbitali obejmują umowną część całkowitego prawdopodobieństwa, często około 90%; elektron nie jest zamknięty wewnątrz tej powierzchni, a kolorowe płaty nie są materialnymi obiektami.
Powłoki, podpowłoki i pojemność
Liczba główna n identyfikuje powłokę, a liczba orbitalna l typ podpowłoki: s, p, d lub f odpowiada l = 0, 1, 2, 3. Dla danego l istnieje 2l+1 orbitali, więc podpowłoki s, p, d i f mieszczą odpowiednio 2, 6, 10 i 14 elektronów po uwzględnieniu dwóch spinów na orbital.
Węzły wynikają z rozwiązania kwantowego
Dla orbitalu o liczbach n i l całkowita liczba węzłów wynosi n−1, liczba węzłów kątowych l, a radialnych n−l−1. Węzeł to obszar, w którym funkcja falowa jest równa zeru; nie jest to sztucznie wstawiona pusta powłoka.
Penetracja rozdziela energie podpowłok
W atomie wodoru orbitale o tym samym n mają tę samą energię. W atomach wieloelektronowych odpychanie elektronów i różna penetracja znoszą tę degenerację: orbital s tej samej powłoki ma zwykle większe prawdopodobieństwo blisko jądra niż p i może odczuwać większy efektywny ładunek jądra.
Gęstość i prawdopodobieństwo radialne to nie to samo
Dla orbitalu 1s gęstość |ψ|² jest największa przy jądrze, lecz bardzo mała objętość cienkiej sfery przy r=0 sprawia, że rozkład radialny osiąga maksimum dalej. Dla wodoru 1s maksimum prawdopodobieństwa radialnego leży przy promieniu Bohra; nie oznacza to kołowej trajektorii elektronu.
Orientacja i faza mają znaczenie w otoczeniu
Znane rysunki p_x, p_y i p_z są wygodnymi rzeczywistymi kombinacjami stanów. Obrót osi nie zmienia fizyki izolowanego atomu, ale w cząsteczce lub krysztale kierunek osi międzyjądrowej, pole albo symetria otoczenia mogą wyróżnić orientacje i rozszczepić energie.
Orbital nie ma jednego geometrycznego promienia
Można mówić o promieniu najbardziej prawdopodobnym, wartości oczekiwanej r albo powierzchni obejmującej wybrany procent prawdopodobieństwa. To różne definicje i żadnej nie należy utożsamiać z tablicowym promieniem atomowym wyznaczanym z odległości wiązań lub kryształów.
Jak łączyć obraz orbitalu z pomiarem
Orbitale są obiektami teorii, ale nie są dowolnymi rysunkami. Ich energie i symetrie pozostawiają ślady w widmach absorpcyjnych i emisyjnych, energiach jonizacji, rozpraszaniu oraz mapach gęstości elektronowej. Dlatego dobry obraz orbitalu powinien być traktowany jak narzędzie do przewidywania obserwowalnych wielkości, a nie fotografia elektronu. Gdy model wodoro-podobny przestaje wystarczać, obliczenia wieloelektronowe modyfikują energie i kształty, lecz pojęcia n, l, węzłów, fazy i symetrii nadal organizują interpretację chemiczną.
Przykłady rozwiązane
Orbital 3p
Rozwiązanie
l=1, więc ma 1 węzeł kątowy i 3−1−1 = 1 węzeł radialny.
Pojemność podpowłoki d
Rozwiązanie
Dla l=2 istnieje 2l+1=5 orbitali, więc maksymalna pojemność wynosi 10 elektronów.
Znaki płatów p
Rozwiązanie
Znaki + i − oznaczają przeciwną fazę funkcji falowej, a nie przeciwne ładunki.